CC BY
13
5. ШФОРМАЩЙШ ТЕХНОЛОГИ ГАЛУЗ!
УДК 681.325.2 Проф. ВА. Павлиш, д-р техн. наук;
доц. Л.1. Закалик, канд. техн. наук; магктрант Д.В. Невтський -НУ "Львгвська полтттехтка "; доц. С.Ю. Леб1дь, канд. техн. наук -Львгвська фгл1я Свропейського университету
СУЧАСН1 1НФОРМАЦ1ЙН1 СИСТЕМИ: ОПТИЧНИЙ МОДУЛЯТОР НА НАНОСТРУКТУРАХ
Здшснено огляд найбшьш багатообщяючих технолопчних пiдходiв до створен-ня оптичних модуляторiв на основi одновимiрних (1Д) структур на фотонних криста-лах (ФК), що юнують сьогоднi, а також надано математичне обгрунтування отрима-них ефектiв. Аналiз iснуючих структур дае змогу зробити висновки про можливе вдосконалення характеристик майбутшх пристро!в, а також визначити напрями по-дальших дослiджень у щй сферi. З огляду на невпинний розвиток шформацшних мереж, потреба в таких пристроях буде постшно зростати.
Ключовг слова: фотонний кристал, оптичний модулятор.
Вступ. Одним 1з перспективних напрям1в розробки шфокомушка-цшних систем на сьогодш е використання оптичного сигналу для створення перемикач1в, мультиплексор1в, суматор1в та шших компонента. Свггло в дь електричному середовищ1 мае значно бшьшу рухливють, шж електрон у про-вщнику 1 може передавати значно бшьшу кшьюсть шформацп за одиницю часу. Зокрема смуга пропускання оптичних систем лежить в д1апазош тера-герц, а електронних систем - у д1апазош декшька ГГц, що доводить великий потенщал фотошки для того, щоб стати основою для створення штегральних оптичних схем. Сьогодш ведуться штенсивш дослщження щодо використання нанорозм1рних структур з щкавими нелшшними властивостями внаслщок внесення в 1х структуру р1зних дефекпв [1-3], що е аналопчним введенню до-м1шок в нашвпровщник, враховуючи те, що фотонш кристали мають заборо-нену зону для певних частот. Введення дефекпв приводить до появи частотного р1вня в забороненш зош фотонного кристалу (ФК) 1 вш пропускае сигнал 1з частотою, забороненою у ФК без дефекту.
Теоретична частина. Додавання дефекпв значно тдвищуе нель ншшсть ФК, що проявляеться залежно вщ ефективного показника заломлен-ня вщ напруженосп електромагштного поля, який для ТЕ поляризацп ФК з високою нелшшнютю можна записати у виглядг
Пеф (Ееф) = По + П1 |ееф| , (1)
де: п0- лшшний показник заломлення матер1алу, п1 - нелшшний показник за-ломлення. Величину електромагштного поля Ееф можна порахувати з1 ств-
вщношення а = | ееф| / |е0| . Оскшьки сшввщношення пол1в пов'язане з моду-лящею показника заломлення нелшшного шару, то його можна описати як
, _ (Пеф - По)
(2)
П2 Eq
Виходячи з цього, icHye декiлька cnoco6ÍB отримання нелшшностей у ФК для створення оптичних модyлягорiв.
Анал1з метод1в формування оптичних модулятор1в. Розглянемо спочатку методи формування 1Д фотонних кристалiв, як можна задавати сте-пiнь !х нелшшносп i як можна використати це для ефективно! модуляцп оп-тичного сигналу з метою створення оптичних модyляторiв.
Група науковщв з шституту технологи Харбш, Китай, довели, що ви-сока нелiнiйнiсть 1Д ФК може бути досягнута за умови використання нанос-труктуровано1 плiвки CdSxSe1-x зi структурою синусо1дного типу (рис. 1), нанесено! на скляну тдкладку [4].
Рис. 1. Структура нелтшного фотонного кристалу синусо1'дного типу i розподт показника заломлення пл1вки хвилеводу [4]
Для тако! плiвки зi змшним показником заломлення
Пеф (x)_ Поеф (X) + щ! (Я) , (3)
Поеф ( x)_ Поеф +Ап sin (kx) , (4)
де: п0еф (x) - ефективний показник заломлення за дуже низько! штенсивносп
2ж
вхiдного сигналу; Ап - модульований показник заломлення 1ДФК; k _ —;
I - штенсивнють свiтла, п1 - нелшшний коефiцieнт заломлення. Для випадку Ап << п0 , поле в цш стрyктyрi буде мати двi складов^
dE (x )
dx
-A (x) exp (i 0x) + B (x) exp (-ifix) .
(5)
Зм^ амплiтyд хвиль прямо! i зворотно! вздовж ош х можна описати рiвняннями:
_ kB exp (-i 2 Ав x) + Y (| A|2 + 21B|2) A -k A exp (i 2 Ав x) + Y (|B|2 +1 A|2) B,
dx dB_
dx
(6)
2
де ß =
Inrn, ß=П Aß=ß—ß, k=iAn, y =п „2=ПщР , де /) -
Л T T T n
трет1й порядок тензора чутливост1.
Штужшсть видного сигналу
Рис. 2. Залежнкть вих'1дного сигналу eid входного [4]
Дослщження ще! структури виявило виникнення пстерезисного ефек-ту в певних межах потужносп вхщного сигналу. Як видно з рис. 2, межГ по-тужност вхщного сигналу становлять вщ 0,2*105 до 1,65*105 Вт/см2, а час пе-ремикання - 63 пксек.
АналГзуючи експериментальш дат [4], можна пояснити ефект бюта-бшьност ще! структури динамГчним ефектом у нелшшних 1Д ФК. Щ структури мають заборонену зону для певних частот, що залежить вщ показника заломлення, а вш, своею чергою, залежить вщ штенсивносл свила. Це i спричиняе гiстерезисний ефект. Шд час збiльшення iнтенсивностi свггла заборонена зона зсуваеться в сторону коротших хвиль, оскшьки коефщГент заломлення нелiнiйних ФК е вщ'емний. А отже, гiстерезисний ефект е результатом нелшшно! реакцп фотонного кристалу на оптичний сигнал. Таю структури можуть бути використаш як оптичш модулятори, враховуючи !х високу швидкодш i малу потужшсть.
1Д фотонш кристали з шдвищеною нелiнiйнiстю можна також форму-вати на багатошарових структурах. Дослщники шституту натвпровщниково! фГзики НАН Укра!ни запропонували багатошарову структуру з нелшшними шарами [5]. Структура зразка була сформована зГ шарiв рГзно! товщини, ниж-ня i верхня плГвки - з матерГалу високо! нелшшностг Шд час експеримен-тального дослщження ще! структури були виявлеш щкавГ залежност штен-сивност та частоти вихщного сигналу вщ кута, тд яким направлено вхщний сигнал до структури (рис. 3). Таку структуру можна пропонувати для ство-рення оптичних модуляторГв, але вона потребуе додаткових дослщжень, ос-кшьки за основу було взято структуру з товщиною плГвок порядку декшькох мжрон. Цжавим е те, як вплине на щ залежност зменшення товщини плГвок
до десятюв нанометрiв. При нанометровiй товщинi плiвок буде вiдчутний вплив поверхневих хвиль, що приведе до ослаблення вихщного сигналу.
Рис. 3. Фрагмент дiаграми кутовоЧ частоты для Si/SiO2 ФК покритих нетншними шарами, де Оа - кут падтня, а стртками позначено обраний дiапазон оброблення [5]
Якщо використати шар iз високою нелшшшстю, але сформувати його всередиш багатошарового 1Д ФК, то можна також отримати модулящю ви-хщного сигналу. Дослiдники iнституту науки i технологи Нара, Японiя запро-понували структуру з шарiв оксидiв кремшю i титану нанометрових розмiрiв iз внутрiшнiм шаром, сформованим на квантових точках iз золота товщиною 19 нм [6]. Вибирали матерiали за умови, що коефщент вiдбивання повинен дорiвнювати одиницi. У такiй структурi нелiнiйна оптична чутливiсть третьо-го порядку.
З рис. 4 видно, що залежно вщ кута падшня свiтла отримаемо або часткове, або повне вщбивання. При кутi падшня свила менше нiж 35 спостерiгаемо широкий i невеликий пiк, що свщчить про часткове поглинання i часткове вщбивання. Три iншi пiки свщчать про макси-мальне поглинання.
35 40 45 50 55 АП£]С О Г 1ПС1С&СПСС
Рис. 4. Залежтсть коефщieнта вiдбивання в 'д кута падтня свiтла [6]
Ц тки досить вузью та чутливi до невеликих змш кута падiння. Три-валiсть вхщного i вихiдного сигналiв збiгаються у часи Ця структура, порiв-няно з описаними вище, вiдзначаеться високою швидкодiею.
Вченi Нацiонального iнституту астрофiзики, оптики i електронiки, Мексики, змоделювали ефект вiдбивання в 1Д ФК за допомогою ш'екци заряду. ФК складаеться зi сильно легованих шарiв кремнiю, що чергуються зi шарами оксиду кремнiю. Довжина хвилi свiтла вважаеться важливою комушкацшною хвилею 1,54 мкм. Реалютичне моделювання показуе, що чутлива перестройка
та перемикання може бути досягнуто для концентрацп домiшок ~ 1019/cm3 на-впъ для надгратки довжиною калька nep^iB. Результати вщбивання штерпре-тувалися за допомогою pозpахункiв фотонно! зонно! структури [7]. На рис. 5 прошюстровано як вiдбивання перенастроюеться шляхом змши концентрацп домiшки: 4, 10, i 50 пepiодiв у довжину надгратки. Пepiод d = 0,73 мкм.
1 о--,-----,------,-:-----
о.о ---г-----•---------г-----1-------г---------
0 В 10 15 20 25 30 impurity concenTraiiQn 1 Рис. 5. Bid6ueanня для 1Д ФК, що складаеться з Si та SiO2 шарiв, де шари кремню сильно леговат [7]
Науковщ коледжу Дiажамбep Джаш, Iндiя, запропонували нову кон-цeпцiю для дeмультиплeксоpiв з використанням 1Д ФК на основi кpeмнiю з впровадженими дефектами. Принцип дп базуеться на змiнi peжимiв дeфeктiв в 1Д ФК структурах за рахунок змши товщини дефекту з врахуванням того, що показник заломлення шару Si залежить вiд температури i довжини хвилi одночасно й обмежилися дослщженнями пepeдачi оптичного зв'язку.
1--1-П-'-— ---Т-г
КГ1®-1-L -1-1-
1520 ISO IJD изо im WB
Wavelength (nm)
Рис. 6. Спектри пропускання ФК структури з дефектним шаром piiHoi
товщини [8]
Центральна довжина хвилi матepiалу з дефектами залежить вiд ширини дефектного шару, тому можна змшити центральну довжину хвилi шляхом змь ни товщини дефектного шару: 1520 нм, 1525 нм, 1530,3 нм, 1535,6 нм (рис. 6).
Висновки. На ochobí проведеного аналiзу можна зробити висновок, що для створення оптичних модуляторiв на 1Д фотонних кристалах можна використати кожен Í3 запропонованих методiв. Але з погляду швидкодп i бiльш ефективно! модуляцп, найбшьш багатообiцяючим е створення багато-шарових 1Д ФК, незважаючи на те, що багатошарова структура з нелшшни-ми зовнiшнiми шарами потребуе додаткових дослщжень на нанорозмiрних плiвках, а в структурi з внутрiшнiм дефектом не враховано виникнення по-верхневих i плазмових хвиль. З точки зору технолопчносп простшою е структура на наноструктурованш плiвцi з високою нелiнiйнiстю. Отож, ще! створення оптичних модуляторiв на запропонованих структурах досить щка-вi, проте нестача точно! характеристики цих структур залишае багато можли-востей для подальших дослщжень.
Л1тература
1. Byer R. Quasi-phase matched nonlinear interactions and devices / R. Byer // J. Nonlinear Optical Phys. And Materials. - 1997. - № 6. - Pp. 549-541.
2. Galindo-Linares E. Tuning of one-dimensional Si/SiO2 photonic crystals at the wavelength of 1.54 цт / E. Galindo-Linares, P. Halevi, Adán S. Sánchez // Solid State Communications. - Vol. 142. - Issues 1-2. - Pp. 67-70.
3. Ding Y. Theory of backward second-harmonic and third-harmonic generation using laser pulses in quasi-phase-matched second-order nonlinear medium / Y. Ding, J. Kang, J. Khurgin // IEEE J. Quantum Electron. - 1998. - № 4. - Pp. 966-974.
4. Chen M. Optical bistable device based on one-dimensional photonic crystal waveguide / M. Chen, C. Li, M. Xu, W. Wang // Optics Communications. - 2005. - № 255. - Pp. 46-50.
5. Glushko E. All-optical signal processing in photonic structures with nonlinearity / E. Glushko // Optics Communications. - 2005. - № 247. - Pp. 275-280.
6. Inouye H. Nonlinear optical response in a total-reflection-type one-dimensional photonic crystal with gold nanoparticles / H. Inouye, Y. Kanemitsu, K. Hirao // Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures. - 2003. - Vol. 17. - Pp. 414-417.
7. Galindo-Linares E. Tuning of one-dimensional Si/SiO2 photonic crystals at the wavelength of 1.54 ^m / E. Galindo-Linares, P. Halevi, Adán S. Sánchez // Solid State Communications. -2012 - Vol. 142. - Issues 1-2. - Pp. 67-70.
8. Kumar V. Design of a wavelength division demultiplexer using Si-based one-dimensional photonic crystal with a defect / V. Kumar, B. Suthar, Arun Kumar, Kh.S. Singh, A. Bhargava // Optik -International Journal for Light and Electron Optics. - Available online 4 October 2012. - In Press.
Павлыш В А., Закалык Л.И., Невинский Д.В., Лебидь С.Ю. Современные информационные системы: оптический модулятор на наноструктурах
Проведен обзор наиболее многообещающих технологических подходов к созданию оптических модуляторов на основании одномерных (1Д) структур на фотонных кристаллах (ФК), существующих на данный момент, а также предоставлено математическое обоснование полученных эффектов. Анализ существующих структур позволяет сделать выводы о возможном совершенствовании характеристик будущих устройств, а также определить направления дальнейших исследований в этой области. Учитывая бурное развитие информационных сетей, потребность в таких устройствах будет постоянно возрастать.
Ключевые слова: фотонный кристалл, оптический модулятор.
Pavlysh VA., ZakalykL.I., NevinskyD.V., LebidS.Yu. Novel information systems: optical modulator on the nanostructures
In present paper an overview of the most promising technological approaches to creating optical modulators based on one-dimensional (1D) structures on photonic crystals (PC) that exist at the moment is proposed, and mathematical justification of obtained effects is provided. Analysis of existing structures allows to draw conclusions about possible
future devices with improved performance and identifies possibilities for further research in this area. Given the rapid development of information networks the need for such devices will continue to grow.
Keywords: photonic crystals, optical modulator.
УДК 681.518.5 Астр. А.1. Пукач; проф. В.М. Теслюк, д-р техн. наук;
студ. Т.В. Теслюк - НУ "Львiвська полтехтка"
РОЗРОБЛЕННЯ М1КРОКОНТРОЛЕРА СПЕЦ1АЛ1ЗОВАНО1 КОМП'ЮТЕРНО1 СИСТЕМИ АВТОМАТИЧНОГО КОНТРОЛЮ ВЕЛИЧИНИ РЕЗИСТИВНИХ ПАРАМЕТР1В М1КРОЕЛЕКТРОМЕХАН1ЧНИХ СИСТЕМ
Розроблено мкроконтролер на базi мкроконтролера сiмейства Arduino, та вщ-повiдне програмне забезпечення (ПЗ), для спещал1зовано'1 комп'ютерно'1 системи (СКС) автоматичного контролю величини резистивних параметрiв мкроелектроме-ханiчних систем. Для забезпечення максимально" вiдповiдностi розробленого ПЗ апаратнш складовiй розроблено" системи було застосовано пщхщ з використанням ушфшовано" мови моделювання UML.
Ключов1 слова: система, автоматизащя, контроль, МЕМС, резистор, Arduino, UML, модель.
Вступ. На сьогодт основт тенденцii у розвитку науки та техшки спрямоваш на зниження рiвня енергоспоживання, пiдвищення рiвня порта-тивностi, мобiльностi, функцiональностi та простоти штегрування. Забепечи-ти наведет критерп вдаеться, зокрема, за рахунок використанням технологш виготовлення мiкроелектромеханiнчих систем (МЕМС) [1-4]. Проте, iз впро-вадженням МЕМС-технологiй виникае необхiднiсть виршення низки акту-альних завдань, серед яких i задача автоматичного контролю резистивних па-раметрiв мiкроелектромеханiчних систем, спричинена мжронними розмiрами iх резистивних компонент. Вирiшення даноi задачi передбачае розроблення нових, або удосконалення вже юнуючих, методiв [6, 7] автоматичного контролю, а також спещашзованих програмних [8, 13] та апаратних засобiв [9], що враховують особливост та специфiку МЕМС-технологiй.
1. Розроблення мжроконтролера отещалiзованоl комп'ютерноУ системи. З метою розв'язання поставлено!" задачi автоматичного контролю резистивних параметрiв мiкроелектромеханiчних систем розроблено спець алiзовану комп'ютерну систему, структурну схему яко" зображено на рис. 1.
Модуль зчитування
вхгдних даних
Рис. 1. Структурна схема СКС автоматичного контролю резистивних napaMempie МЕМС
В 0CH0Bi розроблено! СКС мютиться "Розрахунковий модуль", що вщ-повщае за здшснення розрахунюв величини електричного опору дослщжува-
